日前《自然》雜志最新列舉2022年七項(xiàng)重要科學(xué)技術(shù)，將對(duì)科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，其中包括：

1、完整版基因組

2019年，美國(guó)加州圣克魯茲分?；蚪M學(xué)研究員凱倫·米加（Karen Miga）和馬里蘭州貝塞斯達(dá)國(guó)家人類(lèi)基因組研究所研究員亞當(dāng)·菲利普（Adam Phillippy）啟動(dòng)了“端粒至端粒（T2T）”的聯(lián)合研究項(xiàng)目，當(dāng)時(shí)大約全球十分之一的人類(lèi)基因組仍未完成測(cè)序，然而，現(xiàn)在該數(shù)據(jù)已降至零。2021年5月，該聯(lián)合研究項(xiàng)目聲稱發(fā)現(xiàn)第一個(gè)端粒至端粒的人類(lèi)基因組序列，使用人類(lèi)共識(shí)基因組序列圖譜GRCh38增加了近2億新堿基對(duì)，并為人類(lèi)基因組計(jì)劃寫(xiě)上了最后一章。

最早發(fā)布于2013年的GRCh38基因組序列圖譜是一個(gè)具有價(jià)值的研究工具，它是繪制基因序列讀數(shù)的“腳手架”，但它也存在許多漏洞，其主要問(wèn)題在于基因序列讀數(shù)雖然精確，但過(guò)于簡(jiǎn)短，無(wú)法明確繪制高度重復(fù)的基因組序列，包括：覆蓋染色體末端的端粒，細(xì)胞分裂期間協(xié)調(diào)新復(fù)制DNA分裂的著絲粒（centromeres）。

長(zhǎng)讀測(cè)序技術(shù)被證明是改變游戲規(guī)則的技術(shù)，該技術(shù)是美國(guó)太平洋生物科學(xué)公司和英國(guó)牛津納米孔技術(shù)公司共同開(kāi)發(fā)的，它能在一次性基因序列讀取中，對(duì)數(shù)萬(wàn)至數(shù)十億個(gè)堿基對(duì)進(jìn)行排序，但至少在測(cè)序初期，并不是沒(méi)有錯(cuò)誤。時(shí)值2020年，T2T項(xiàng)目研究人員重建了他們的第2、3條單獨(dú)染色體——X和8，然而，太平洋生物科學(xué)公司的測(cè)序工作已取得重大進(jìn)展，T2T科學(xué)家能檢測(cè)到長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)序列的微小變化，這些微妙的“指紋”使長(zhǎng)而重復(fù)的染色體片段變得更易處理，基因組剩余部分則很快排列起來(lái)，牛津納米孔技術(shù)公司還捕獲了許多調(diào)節(jié)基因表達(dá)的DNA修飾，同時(shí)，T2T基因測(cè)序能在基因組范圍內(nèi)繪制“表觀遺傳標(biāo)記”。

已測(cè)序的T2T基因組源自包含兩組相同染色體的細(xì)胞株，正常的二倍體人類(lèi)基因組的每個(gè)染色體有兩個(gè)版本，目前研究人員正在研究“階段策略”，能夠自信地將每個(gè)序列分配給合適的染色體副本。

T2T項(xiàng)目首席研究員之一、紐約洛克菲勒大學(xué)遺傳學(xué)家埃里?！べZ維斯（Erich Jarvis）說(shuō)：“我們的目標(biāo)是掌握平均97%的人類(lèi)等位基因多樣性，我認(rèn)為未來(lái)10年之內(nèi)，我們能將端粒至端?；蚪M測(cè)序作為常規(guī)操作，同時(shí)，我們希望利用完整的基因組裝配能力提供地球每種脊椎動(dòng)物的完整基因組序列?！?/span>

2、解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

此前研究人員很難衡量蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能，在過(guò)去兩年時(shí)間里，科學(xué)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算領(lǐng)域取得的進(jìn)步，為研究人員以前所未有的速度和分辨率解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。由DeepMind子公司Alphabet開(kāi)發(fā)的AlphaFold2結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)算法基于“深度學(xué)習(xí)”策略，能推算出氨基酸序列折疊蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。該算法自2021年7月發(fā)布以來(lái)，已被應(yīng)用于蛋白質(zhì)組學(xué)，用于確定人類(lèi)和20個(gè)模型生物中表達(dá)的所有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及Swiss-Prot數(shù)據(jù)庫(kù)中近44萬(wàn)個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，大幅增加了高可信度建模數(shù)據(jù)的蛋白質(zhì)數(shù)量。

與此同時(shí)，低溫電子顯微鏡的技術(shù)改進(jìn)使研究人員能以實(shí)驗(yàn)方法解決最具挑戰(zhàn)性的蛋白質(zhì)和復(fù)合物，低溫電子顯微鏡采用電子束掃描快速凍結(jié)的分子，生成多個(gè)方向的蛋白質(zhì)圖像，然后可以通過(guò)計(jì)算重新組裝成一個(gè)蛋白質(zhì)3D結(jié)構(gòu)。2020年，低溫電子顯微鏡硬件和軟件的改進(jìn)使研究團(tuán)隊(duì)能夠生成分辨率小于1.5埃的水平解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，捕捉到單個(gè)原子的位置。紐約結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心西蒙斯電子顯微鏡中心副主任布里奇特·卡拉格（Bridget Carragher）說(shuō)：“此前我們?cè)钊胗懻摗臃直媛省@個(gè)術(shù)語(yǔ)，但它僅是接近原子，目前我們實(shí)驗(yàn)證實(shí)獲得原子等級(jí)清晰度解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是可行的。”

還有一種相關(guān)方法，即低溫電子斷層掃描（cryo-ET），它可以捕捉冷凍細(xì)胞薄片中自然蛋白質(zhì)特征，但利用該技術(shù)解析復(fù)雜而擁擠的圖像仍存在困難。卡拉格說(shuō)：“采用機(jī)器學(xué)習(xí)世界的先進(jìn)算法是必不可少的，相信未來(lái)我們能解決棘手的科學(xué)難題?！?/span>

3、量子模擬

原子在特定條件下，能被誘導(dǎo)至一個(gè)高度激發(fā)狀態(tài)，直徑達(dá)到1微米或者更大。目前物理學(xué)家現(xiàn)已證實(shí)，通過(guò)對(duì)數(shù)百個(gè)原子陣列進(jìn)行這種可控激發(fā)，可以解決一些具有挑戰(zhàn)性的物理問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)“極限升級(jí)”。

量子計(jì)算機(jī)以量子位的形式管理數(shù)據(jù)，利用“量子糾纏”物理現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)據(jù)耦合，量子位可以在一定距離內(nèi)相互影響，這些量子位可大幅提高計(jì)算能力。目前，已有幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)成功利用單個(gè)離子作為離子位，但這些離子的電荷很難在高密度下組裝，物理學(xué)家正在探索另一種方法，其中包括法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的安東尼·布羅維（Antoine browwaeys）和美國(guó)哈佛大學(xué)的米哈伊爾·盧金（Mikhail Lukin），他們使用光學(xué)鑷子精確地將不帶電原子定位在緊密排列的2D和3D陣列中，然后應(yīng)用激光將這些粒子成為大直徑的“里德堡原子（Rydberg atoms）”，使其與它們鄰近粒子糾纏在一起。

韓國(guó)高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所物理學(xué)家jaaewook Ahn稱，里德堡原子系統(tǒng)是獨(dú)立可控的，它們的相互作用可以打開(kāi)和關(guān)閉，反之賦予了可編程性。量子模擬技術(shù)在短短幾年時(shí)間里就獲得了重大突破進(jìn)展，技術(shù)進(jìn)步提高了里德堡原子陣列的穩(wěn)定性和性能，以及從幾十個(gè)量子位快速擴(kuò)展至幾百個(gè)。據(jù)悉，量子模擬領(lǐng)域的先驅(qū)者已成立了公司，正在開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室使用的里德堡原子陣列系統(tǒng)，布羅維估計(jì)這種先進(jìn)量子模擬器可以在一兩年內(nèi)投入商業(yè)應(yīng)用，但這項(xiàng)工作也可能為量子計(jì)算機(jī)的更廣泛應(yīng)用鋪平道路，包括：經(jīng)濟(jì)學(xué)、物流和數(shù)字加密領(lǐng)域等。

4、精準(zhǔn)基因操控

盡管CRISPR–Cas9技術(shù)擁有強(qiáng)大的基因組編輯能力，但該技術(shù)更容易基因失活，而不是達(dá)到基因修復(fù)，因?yàn)楸M管針對(duì)Cas9酶的基因組序列相對(duì)精確，但細(xì)胞對(duì)該技術(shù)產(chǎn)生的雙鏈切割修復(fù)卻并不精確，CRISPR–Cas9修復(fù)通過(guò)一種稱為“非同源端連接”的過(guò)程進(jìn)行，通常會(huì)被微小的基因插入或者刪除所混淆。

美國(guó)哈佛大學(xué)化學(xué)生物學(xué)家大衛(wèi)·劉指出，大多數(shù)遺傳疾病需要的是基因修正，而不是基因破壞。目前他和研究同事現(xiàn)已開(kāi)發(fā)兩種頗有希望的基因操控方法，第一種叫做堿基編輯（base editing），將一種催化受損Cas9與一種酶結(jié)合，該酶可以幫助一種核苷酸轉(zhuǎn)化為另一種核苷酸，例如：胞嘧啶轉(zhuǎn)化為胸腺嘧啶，腺嘌呤轉(zhuǎn)化為鳥(niǎo)嘌呤，但目前該方法僅對(duì)特定堿基對(duì)有效；第二種叫做精準(zhǔn)編輯（Prime editing），將Cas9與逆轉(zhuǎn)錄酶連接起來(lái)，并引導(dǎo)DNA將所需編輯內(nèi)容精準(zhǔn)插入基因組序列。通過(guò)一個(gè)多階段的生化過(guò)程，這些成分將引導(dǎo)RNA復(fù)制成DNA，最終取代目標(biāo)基因組序列。重要的是，堿基編輯和精準(zhǔn)編輯都僅剪切一條DNA鏈，這對(duì)細(xì)胞而言是一個(gè)更安全、破壞性更小的過(guò)程。

堿基編輯技術(shù)首次公布于2016年，現(xiàn)已投入臨床應(yīng)用，由大衛(wèi)·劉創(chuàng)建的Beam Therapeutics公司已獲美國(guó)食品藥物管理局批準(zhǔn)，首次應(yīng)用于人類(lèi)鐮狀細(xì)胞病基因修復(fù)。相比之下，精準(zhǔn)編輯仍是一項(xiàng)新技術(shù)，但改進(jìn)的迭代技術(shù)不斷出現(xiàn)，該技術(shù)的應(yīng)用前景也非常明確。韓國(guó)首爾延世大學(xué)醫(yī)學(xué)院基因組編輯專家Hyongbum Henry Kim現(xiàn)已證實(shí)，使用精準(zhǔn)編輯技術(shù)來(lái)糾正老鼠視網(wǎng)膜基因突變，可達(dá)到16%的治愈率。他說(shuō)：“如果我們使用最近報(bào)道的更先進(jìn)技術(shù)，治療效率將獲得大幅提高，在某些情況下，如果能以10%，甚至以1%的基因進(jìn)行替換，就可以治愈該疾病。”

5、靶向基因治療

基于核酸的藥物可能會(huì)對(duì)臨床治療產(chǎn)生某些影響，但它們?cè)诳蓱?yīng)用的組織方面仍受到限制，大多數(shù)治療方法要么需要局部給藥，要么需要體外操作，從患者體內(nèi)提取細(xì)胞，然后將其移植到患者體內(nèi)。一個(gè)顯著的例子是肝臟，可以過(guò)濾血液，被證明是選擇性藥物輸送的有效靶點(diǎn)，在這種情況下，靜脈注射，甚至是皮下注射，均可達(dá)到該效果。

美國(guó)麻省理工學(xué)院化學(xué)工程師丹尼爾·安德森（Daniel Anderson）說(shuō)：“靶向基因治療存在很大的挑戰(zhàn)性，僅是將藥物輸送至人體任何組織進(jìn)了困難的，我們的身體是基因信息集合體，而不是接受新的基因信息。”目前研究人員在開(kāi)發(fā)基因治療方面正取得穩(wěn)步進(jìn)展，這些方案可以幫助引導(dǎo)藥物進(jìn)入特定器官系統(tǒng)，而不影響其他非靶向組織。

近年來(lái)，腺相關(guān)病毒是許多基因治療工作的首選載體，相關(guān)動(dòng)物研究表明，理性選擇合適的病毒，結(jié)合組織特異性基因啟動(dòng)子，可以實(shí)現(xiàn)高效、器官靶向治療。然而，相關(guān)病毒有時(shí)難以大規(guī)模生產(chǎn)，并潛在引起人體免疫反應(yīng)，破壞療效或者產(chǎn)生身體不良反應(yīng)。

脂質(zhì)納米顆粒提供了一種非病毒的替代方法，之前研究人員發(fā)表的研究報(bào)告強(qiáng)調(diào)了脂質(zhì)納米顆粒具有組織特異性送遞的潛力，例如：研究人員能快速生成和篩選識(shí)別脂質(zhì)納米顆粒，使其有效在肺等器官實(shí)現(xiàn)靶向治療。荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師羅伊·范德米爾（Roy van der Meel）稱，目前首次研究表明，如果對(duì)這些脂質(zhì)納米顆粒進(jìn)行系統(tǒng)篩選，并且改變它們的成分，就可以改變它們?cè)谏矬w中的分布。

6、空間多組學(xué)分析

單細(xì)胞組學(xué)的迅速發(fā)展意味著研究人員可以常規(guī)地從單個(gè)細(xì)胞中獲得遺傳、轉(zhuǎn)錄、表觀和蛋白質(zhì)組學(xué)的見(jiàn)解，有時(shí)是同時(shí)獲取，但是單細(xì)胞技術(shù)在將細(xì)胞從原生環(huán)境中剝離過(guò)程中，也失去了關(guān)鍵信息。2016年，瑞士皇家理工學(xué)院?jiǎn)袒贰惖虏瘢?/span>Joakim Lundeberg）設(shè)計(jì)了一種策略克服了該問(wèn)題，他和同事使用條形碼寡核苷酸（RNA或者DNA短鏈）制作載玻片，該載玻片能從完整的組織切片中捕獲信使RNA，這樣每個(gè)轉(zhuǎn)錄RNA可以依據(jù)條形碼被分配至樣本中的特定位置，他說(shuō)：“無(wú)人相信我們能從組織切片中提取全轉(zhuǎn)錄RNA分析，但事實(shí)證明，該策略非常簡(jiǎn)單?！?/span>

此后空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)倍受科學(xué)家青睞，目前已有多個(gè)商業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，包括：10x Genomics公司推出的Visium空間基因表達(dá)平臺(tái)，該平臺(tái)系統(tǒng)基于倫德伯格的最新技術(shù)。隨著學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)不斷開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的方法，將不斷增加深度和空間分辨率來(lái)繪制基因表達(dá)。

現(xiàn)在研究人員正在空間地圖領(lǐng)域進(jìn)一步疊加“分層組學(xué)見(jiàn)解”，例如：美國(guó)耶魯大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師Rong Fan開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為DBiT-seq16的平臺(tái)，該平臺(tái)采用一個(gè)微流體系統(tǒng)，可以同時(shí)為數(shù)千個(gè)mRNA轉(zhuǎn)錄基因和數(shù)百個(gè)蛋白質(zhì)標(biāo)注寡核苷酸標(biāo)簽抗體。

7、基于CRISPR技術(shù)的診斷

CRISPR–Cas系統(tǒng)技術(shù)精確切割特定核酸序列的能力源于它作為細(xì)菌“免疫系統(tǒng)”對(duì)抗病毒感染的作用，這種關(guān)聯(lián)性激發(fā)了早期采用該技術(shù)的科學(xué)家考慮它對(duì)病毒診斷的適用性。美國(guó)麻省理工學(xué)院布羅德研究所、哈佛大學(xué)劍橋分校遺傳學(xué)家帕爾迪斯·薩貝提（Pardis Sabeti）說(shuō)：“利用它們?cè)谧匀唤缰性O(shè)計(jì)的功能非常有意義，畢竟它們已演化了數(shù)十億年?！?/span>

但并不是所有Cas酶都是一樣的，Cas9是基于CRISPR的基因組操作的首選酶，但基于CRISPR的診斷的大部分工作都使用了被稱為Cas13的RNA靶向分子家族，該分子家族是2016年由分子生物學(xué)家張峰（音譯）首次發(fā)現(xiàn)的。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）解釋稱，Cas13利用其RNA向?qū)ㄟ^(guò)堿基對(duì)識(shí)別RNA靶標(biāo)，并激活核糖核酸酶活性，該活性通過(guò)使用報(bào)告RNA作為診斷工作進(jìn)行臨床應(yīng)用。據(jù)悉，她與馬克斯·普朗克病原體科學(xué)研究所艾曼紐·卡彭特（Emmanuelle Charpentier）因這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)共同獲得2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這是因?yàn)?/span>Cas13不僅會(huì)切割向?qū)?/span>RNA靶向的RNA，還會(huì)對(duì)附近任何其他RNA分子進(jìn)行“旁系切割”。許多基于Cas13的診斷使用報(bào)告RNA，使用熒光標(biāo)記抑制熒光的淬滅分子，當(dāng)Cas13識(shí)別病毒RNA后被激活時(shí)，它會(huì)切斷報(bào)告RNA，并從淬滅分子中釋放熒光標(biāo)記，產(chǎn)生可檢測(cè)信號(hào)。有些病毒留下足夠強(qiáng)的信號(hào)，可以在不進(jìn)行擴(kuò)增的情況下進(jìn)行檢測(cè)，從而簡(jiǎn)化了即時(shí)診斷。例如：2021年1月，美國(guó)加州舊金山格萊斯頓病毒學(xué)研究所演示了一種基于鼻拭子的CRISPR-Cas13快速檢測(cè)方法，可以使用手機(jī)攝像頭對(duì)新冠病毒進(jìn)行無(wú)擴(kuò)增檢測(cè)。

同時(shí)，RNA擴(kuò)增可以提高對(duì)微量病毒序列的靈敏度，研究人員現(xiàn)已開(kāi)發(fā)一種微流體系統(tǒng)，僅利用幾微升樣本中擴(kuò)增出的基因物質(zhì)，就能同時(shí)篩選多種病原體?，F(xiàn)在科學(xué)家已掌握一種同時(shí)檢測(cè)21種病毒的方法，而每個(gè)樣本的成本不足10美元。此外，研究人員還開(kāi)發(fā)出基于CRISPR技術(shù)的工具，可以同時(shí)檢測(cè)169種以上的人類(lèi)病毒。

杜德納稱，其他Cas酶可以充實(shí)診斷工具箱，包括Cas12蛋白，它表現(xiàn)出與Cas13相似的特性，但其目標(biāo)是DNA而不是RNA?？傮w而言，這些技術(shù)可以檢測(cè)范圍更廣的病原體，甚至可以有效診斷其他非傳染性疾病。